Development of Ultra High-Resolution Neuro PET: Extension of Axial Length and Optimization of Data Acquisition Parameters
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 최용
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082873
- UCI I804:11029-000000082873
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
Development of Ultra High-Resolution Neuro PET: Extension of Axial Length and Optimization of Data Acquisition Parameters Ultra high-resolution brain positron emission tomography (PET) is required to visualize fine anatomical structures and subtle functional changes in neurological diseases. A first-prototype brain PET system, based on 1.7 mm pixelated LYSO crystals, diode-based multiplexing, and TOFPET2 ASIC readout, achieved sub-1.5 mm spatial resolution while reducing system complexity and cost. However, its short axial length resulted in low sensitivity. In addition, the SiPM overvoltage and the discriminator thresholds in the ASIC were not optimized, which limited the energy and timing resolutions. In this study, a second prototype brain PET system with an extended axial field-of- view (FOV) was developed, and acquisition parameters were systematically optimized. The scanner employed the same high-resolution detector modules as the first prototype, while extending the axial length to 106 mm. A diode-based charge-division circuit multiplexed 64 SiPM channels per module into 16 outputs, enabling 2,560 channels to be read out by TOFPET2 ASICs in a compact, scalable, and cost-effective architecture. The SiPM overvoltage and three discriminator thresholds (Vth_T1, Vth_T2, and Vth_E) were experimentally tuned, and system sensitivity, spatial resolution, and coincidence timing resolution were measured at multiple positions in the FOV. Micro hot-rod and Hoffman brain phantoms were imaged and reconstructed using a maximum-likelihood expectation maximization algorithm to evaluate image quality. With the optimized settings, the average energy resolution and coincidence timing resolution improved by approximately 20% and 35%, respectively, compared with the non- optimized condition. The axial extension increased the central sensitivity from 0.6% to 1.4%, and the system achieved 1.3 mm spatial resolution at the center of the FOV, with gradual degradation toward off-center positions due to parallax error. Phantom experiments showed that small hot rods and fine brain structures were clearly resolved. These results demonstrate that the second prototype brain PET system provides ultra high spatial resolution with improved sensitivity and detector performance, supporting a practical architecture for future dedicated neuro PET scanners. Key words: brain PET, ultra high-resolution PET, silicon photomultiplier (SiPM), diode- based multiplexing, TOFPET2 ASIC, overvoltage optimization, discriminator threshold, sensitivity, coincidence timing resolution, energy resolution.
more초록(요약문)
초고해상도 뇌 양전자방출단층촬영(PET)은 신경계 질환에서 미세한 해부학적 구조와 미묘한 기능적 변화를 시각화하기 위해 필요하다. 1.7 mm 픽셀형 LYSO 결정, 다이오드 기반 다중화, TOFPET2 ASIC 리드아웃을 기반으로 한 1차 프로토타입 뇌 PET 시스템은 시스템 복잡도와 비용을 줄이면서 중심 시야에서 1.5 mm 이하의 공간해상도를 달성하였다. 그러나 축 방향 길이가 짧아 민감도가 낮았으며, SiPM 과전압(overvoltage)과 ASIC의 판별기 임계값이 최적화되지 않아 에너지 및 시간 분해능이 제한되었다. 본 연구에서는 축 방향 시야(FOV)를 확장한 2차 프로토타입 뇌 PET 시스템을 개발하고, 데이터 획득 파라미터를 체계적으로 최적화하였다. 스캐너는 1차 프로토타입과 동일한 고해상도 검출기 모듈을 사용하되, 축 방향 길이를 106 mm로 확장하였다. 다이오드 기반 전하 분배 회로는 모듈당 64개 SiPM 채널을 16개 출력으로 압축하여, 총 2,560개 채널을 TOFPET2 ASIC으로 소형·확장형·비용 효율적인 구조에서 읽어낼 수 있도록 하였다. SiPM 과전압과 세 가지 판별기 임계값(Vth_T1, Vth_T2, Vth_E)은 실험적으로 조정되었으며, 시스템 민감도, 공간해상도, 동시계수 시간 분해능을 FOV 내 여러 위치에서 측정하였다. 또한 마이크로 핫로드 팬텀과 호프만 뇌 팬텀을 촬영하고, 최대우도 기대최대화(MLEM) 알고리즘으로 재구성하여 영상 품질을 평가하였다. 최적화된 설정에서 평균 에너지 분해능과 동시계수 시간 분해능은 비최적화 조건 대비 각각 약 20% 및 35% 향상되었다. 축 방향 확장으로 중심 민감도는 0.6%에서 1.4%로 증가하였고, 시스템은 중심 FOV에서 1.3 mm의 공간해상도를 달성하였으며, 시야 중심에서 벗어날수록 시차(parallax) 오차로 인해 해상도가 점진적으로 저하되었다. 팬텀 실험에서는 작은 핫로드와 뇌의 미세 구조가 명확히 분해되어 관찰되었다. 이러한 결과는 2차 프로토타입 뇌 PET 시스템이 향상된 민감도와 검출기 성능을 바탕으로 초고해상도 영상을 제공함을 보여주며, 향후 뇌 전용(neuro) PET 스캐너 개발을 위한 실용적인 시스템 아키텍처의 가능성을 뒷받침한다.
more목차
1. Introduction 1
2. Materials and Methods 3
2.1. Second prototype brain PET system 3
2.2. Diode-based multiplexing and readout electronics 6
2.3. Parameter optimization 9
2.4. Performance evaluation 11
3. Results 13
3.1. Detector performance versus OV and thresholds 13
3.2. Sensitivity and spatial resolution 17
3.3. Phantom imaging 19
4. Discussion 22
5. Conclusion 25
Bibliography. 26
